반도체 입문: 반도체란 무엇이고, 반도체 공장은 무슨 일을 할까?

반도체는 전기가 통하는 정도가 도체와 절연체의 중간이고, 전기가 통할지 말지를 사람이 제어할 수 있는 재료로, 가장 많이 쓰는 것은 실리콘이다. 이를 이용해 만든, 전기로 제어하는 작은 스위치를 트랜지스터라 하고, 트랜지스터를 많이 모아 한꺼번에 만든 것이 칩이다. 흔히 ‘반도체 쪽에서 일한다’, ‘반도체 공장’이라고 할 때의 ‘반도체’는 대개 칩을 만드는 산업 전체를 가리킨다. 누군가 칩을 설계하고, 팹이 그것을 웨이퍼 위에 만들고, 패키징·테스트 공장이 테스트하고 패키징해, 마지막에 휴대폰, 컴퓨터, 자동차에 들어간다. 이 글은 이런 내용을 쉬운 말로 이어 보고, 마지막에 완전 초보도 따라갈 수 있는 무료 독학 경로를 제시한다.

반도체란?

전기를 수도관 속의 물로 생각해 보자. 도체는 늘 열려 있는 수도관, 절연체는 꽉 막힌 수도관, 반도체는 밸브가 달려 열림 정도를 조절할 수 있는 수도관이다. 아주 순수한 실리콘에 다른 원자를 아주 조금 넣으면(도핑) 어느 작은 부분에 전기가 통할지, 얼마나 통할지를 정할 수 있다.

이 성질을 이용해 만든, 전기로 제어하는 스위치가 트랜지스터다. 스위치가 켜졌는지 꺼졌는지에 따라 배선이 전원에 연결되는지 접지에 연결되는지가 정해진다. 전압이 높으면 1, 낮으면 0이다. 칩 하나에는 트랜지스터가 수억 개, 많게는 수백억 개까지 들어갈 수 있다. 휴대폰으로 사진을 찍고, 길을 찾고, AI를 돌리는 것도 결국 모두 트랜지스터가 켜지고 꺼지는 일이다.

조금 더 알고 싶다면 다음 세 편을 순서대로 읽으면 된다. 반도체란?, 칩이란?, 트랜지스터란?

반도체 업계는 무슨 일을 하나? ‘반도체’가 흔히 산업을 가리키는 이유

‘반도체’는 원래 재료의 이름이었지만, 나중에는 칩을 만드는 업계를 통틀어 부르는 말이 되었다. 그래서 ‘반도체는 무슨 일을 하나’라는 질문은 두 가지일 수 있다. 재료를 묻는다면 답은 앞 절에 있다. 산업을 묻는다면 답은 이렇다. 칩을 설계하고, 만들고, 테스트하고 패키징해서 휴대폰, 컴퓨터, 자동차, 가전을 만드는 회사에 넘긴다.

칩 하나를 만들려면 어떤 회사들을 거치나? (상류·중류·하류)

단계	하는 일	비유
설계(IC 설계. IC는 곧 칩이다)	컴퓨터로 회로를 설계하고 시뮬레이션과 검사를 여러 번 거친다. 확정되면 설계도를 넘겨 포토마스크(회로를 찍어 내는 원판)로 만든다	설계도 그리기
제조(팹)	웨이퍼가 팹에서 100단계 넘게 거치며 트랜지스터와 배선을 한 층씩 만든다. 몇 주에서 몇 달이 걸린다	설계도대로 집 짓기
패키징과 테스트	먼저 웨이퍼 위에서 칩을 하나하나 테스트하고, 잘라서 외장을 씌우고 핀을 연결한 뒤, 패키징이 끝나면 한 번 더 테스트해 양품만 출하한다	검수, 포장, 출하
제품에 탑재	회로 기판에 납땜해 휴대폰, 컴퓨터, 자동차에 넣는다	사용자에게 전달

그 밖에 재료(실리콘 웨이퍼, 화학 물질, 특수 가스)와 장비를 공급하는 회사들도 있다. 대만 뉴스에서는 흔히 설계를 상류, 제조를 중류, 패키징·테스트를 하류라 부르지만, 나누는 방식은 하나가 아니어서 재료와 장비를 맨 상류에 두기도 한다. ‘상류’라는 말을 보면 글쓴이가 어느 단계를 가리키는지 먼저 확인해야 한다.

이 단계들은 서로 다른 회사가 맡는 경우가 많다. 설계만 하고 공장은 짓지 않는 회사가 있고, 다른 회사의 칩을 전문으로 만들어 주는 팹이 있으며, 설계부터 제조까지 모두 직접 하는 회사도 있다. 그 차이는 파운드리란?에서, 뒤쪽 단계는 패키징이란?과 칩은 어떻게 테스트할까?에서 볼 수 있다.

반도체 공장(팹) 안에서는 대체 무슨 일을 하나?

팹이 맡는 것은 가운데 단계다. 둥글고 아주 얇은 실리콘 웨이퍼를 칩이 빼곡히 늘어선 웨이퍼로 만든다.

칩은 한 층씩 쌓아 만든다. 한 층을 쌓을 때마다 웨이퍼는 여러 공정 구역을 한 바퀴 돈다. 포토(포토리소그래피)는 패턴을 찍고, 식각은 패턴대로 깎아 내고, 박막은 새 재료층을 올리고, CMP는 표면을 평평하게 갈고, 퍼니스는 고온에서 산화막을 키우고 주입된 원자가 제자리를 잡게 하며, 이온 주입은 원자를 실리콘 안에 쏘아 넣고, 세정은 표면을 깨끗이 씻는다. 그 사이사이에 거듭 계측해 제대로 됐는지 확인한다. 각 구역이 하는 일은 반도체 공장의 7개 공정 구역은 각각 무슨 일을 할까?에서, 칩 하나의 설계가 넘어간 뒤부터 제품에 들어가기까지의 전 과정은 칩의 일생에서 볼 수 있다.

이 모든 일은 클린룸에서 한다. 공기가 일반 방보다 훨씬 깨끗하고, 사람은 전신 방진복을 입는다(클린룸은 얼마나 깨끗할까?). 장비가 비싸고 웨이퍼 하나를 만드는 데 몇 주에서 몇 달이 걸리므로, 팹은 24시간 멈추지 않고 사람들이 교대로 지킨다(반도체 공장은 왜 24시간 멈추지 않을까?).

팹 사람들은 매일 무슨 일을 하나?

모두가 장비를 돌보는 것은 아니다. 대략 다음과 같다.

• 공정 엔지니어: 한 구역의 공정 방식과 레시피를 맡는다. 이 구역에서 만든 결과가 맞는지, 좋은지 따질 때 가장 먼저 찾는 사람이다.
• 장비 엔지니어: 장비가 돌아가게 하고, 고장 나면 고치고 PM을 한다.
• 공정 통합 엔지니어: 한 제품을 처음부터 끝까지 맡아, 로트가 다음 공정으로 넘어가도 되는지 정한다.
• 제조부: 로트를 배정하고 진도를 챙겨, 웨이퍼가 일정대로 한 공정씩 나아가게 한다.
• 인프라(설비·유틸리티): 물, 전기, 공조, 가스와 화학 물질을 맡아 공장 전체가 돌아가게 한다.
• 품질: 출하 전에 검사하고, 이상이 있으면 원인을 찾아 고칠 때까지 추적한다.

반도체 업계 전체의 직무 분류는 반도체 업계에는 어떤 직무가 있을까?, 각 직무가 무슨 일을 하고 어떻게 다른지는 반도체 공장에는 누가 있을까, 반도체 공장 엔지니어의 하루, 공정 엔지니어와 장비 엔지니어는 무엇이 다를까?에서 볼 수 있다.

반도체는 이해하기 어려울까?

어디까지 알고 싶은지에 달려 있다. 칩을 어떻게 만드는지, 팹이 무슨 일을 하는지, 그 안의 사람들이 일을 어떻게 나누는지를 알고 싶다면 물리나 화학 배경은 필요 없다. 수도관, 스위치, 인쇄, 집 짓기 같은 비유만으로도 전체 흐름을 이해할 수 있다. 정말 어려운 것은 그 뒤에 있는 원리(고체 안에서 전자가 어떻게 움직이는지)와 각 단계의 세부 사항으로, 대학의 전기공학, 물리학, 재료공학, 화학공학 같은 학과에서 몇 년에 걸쳐 배우는 내용이다. 그래서 먼저 흐름을 이해하고, 관심이 생기면 더 깊이 파고드는 것을 권한다.

완전 초보라면 어디서 시작할까?

배경지식이 전혀 필요 없고 모두 무료인 경로다.

1. 먼저 세 편, 약 15분: 반도체, 칩, 트랜지스터란 무엇인가(위에서 소개한 세 편으로, 칩 입문에서 이 글 다음에 놓여 있다).
2. 칩 하나가 어떻게 만들어지는지 보기: 칩의 일생 한 페이지에서 설계, 시생산, 양산, 테스트, 패키징, 출하까지 훑어볼 수 있다.
3. 직접 팹을 한 바퀴 걸어 보기: fab24hr는 무료 3D 웹 게임으로, 설치도 로그인도 필요 없고 휴대폰으로도 할 수 있다. 메인 스토리 ‘칩의 일생’을 한 챕터씩 따라가도 되고, ‘직장인의 하루’에서 역할 하나를 골라 한 근무를 보내도 된다. 한 근무는 대부분 3~10분이다. 팹 안에서 장비를 누르면 상당수는 ‘분해해 보기’로 부품 하나하나의 구조를 볼 수 있고, ‘작동 보기’로 한 단계씩 어떻게 동작하는지 볼 수 있다.
4. 전문 용어는 누르면 쉬운 설명이 나온다: 게임 속 전문 용어는 모두 누를 수 있고, ‘반도체 공장 전문 용어, 쉬운 말로 풀이’에서 찾아볼 수도 있다.
5. 뉴스를 이해하고 싶다면: 칩 뉴스 읽기 분류를 읽는다. 2나노, 수율, 첨단 패키징, 파운드리를 다룬다.
6. 이 업계에서 일하고 싶다면: 먼저 반도체 업계에는 어떤 직무가 있을까?와 반도체 업계는 정말 힘들까?를 읽고, 나머지는 반도체 공장에서 일하기 분류에 있다.

그 밖에 무료로 배울 수 있는 곳은?

더 깊이 배우고 싶다면 다음을 찾아보면 된다.

• 대학의 공개 강좌와 공개 강의 자료: ‘반도체 소자’, ‘반도체 공정 개론’으로 검색하면 무료 영상과 강의 자료를 공개한 학교가 많고, 물리와 화학을 가장 충실하게 다룬다.
• 초보자를 위한 온라인 입문 강좌: 일부 산업 협회와 학교가 이공계 배경이 없는 사람을 위해 무료 입문 강좌를 연다.
• 교과서: ‘반도체 소자’는 왜 동작하는지를, ‘반도체 공정’은 어떻게 만드는지를 다룬다.
• 과학 영상과 3D 애니메이션: 포토리소그래피, 식각처럼 눈으로 볼 수 없는 단계는 애니메이션으로 보는 것이 가장 직관적이다.

권하는 순서는 이렇다. 먼저 전체 흐름을 이해하고(이 글, 칩의 일생, fab24hr), 그다음 관심 있는 단계를 골라 깊이 읽는다. 물리에 관심이 있으면 소자를, 공장에 관심이 있으면 공정을 읽고, 일자리를 찾는다면 여러 직무가 무슨 일을 하는지 본다.

fab24hr에서는

fab24hr의 메인 스토리 ‘칩의 일생’은 가상의 보청기 칩 ‘Glowmere’를 따라간다. 프롤로그 ‘테이프아웃’에서 설계가 팹에 넘어가고, 제1막은 R&D 라인의 시생산으로, 챕터 2 ‘한 공정씩’에서 일곱 공정 구역을 지난다. 제2막은 양산 팹이고, 제3막은 후공정 공장에서 테스트와 패키징을 거치며, 종장에서 칩은 보청기 한 대에 들어가 선 대표 아버지의 손에 닿는다. 이 글에서 다룬 모든 단계를 게임에서 직접 지나갈 수 있다. 게임 속 회사, 인물, 장비 번호와 수치는 모두 가상이다. 반도체가 무엇인지, 칩 제조를 어떻게 분업하는지, 팹이 어떻게 일하는지는 공개된 일반 자료를 바탕으로 썼다.